高温高压法合成Ⅱ型钻石磷光的产生与猝灭—氮、硼杂质与空位缺陷的角色

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高温高压法(High-pressure-high-temperature synthetic,HPHT)合成II型钻石在适当波长紫外光的激发下能够产生485 nm蓝绿色磷光和~590 nm橙红色磷光,前者是快速筛查HPHT法合成钻石的诊断特征之一。近年来已经陆续有多家机构报道了电子辐照猝灭蓝绿色磷光的案例,这为HPHT法合成钻石的快速鉴别带来了困扰。尽管蓝绿色磷光在鉴定中意义重大,新的技术挑战又迫在眉睫,但是人们对其成因的认识还很有限,基于施受主对复合理论(Donor-acceptor-pair recombination theory,DAPR)模型的假设,前人学者认为蓝绿色磷光来自于钻石中施受主杂质之间的电荷补偿,因此这一科学问题目前的研究要点集中在了“确认施受主杂质身份”和“解释辐照猝灭磷光原因”上。出于行业现状,本课题将围绕HPHT法合成II型钻石的蓝绿色磷光,寻找施主杂质缺陷,建立施受主杂质缺陷与磷光性质之间的相关性,明确空位缺陷在此过程中所扮演的角色。通过光致发光光谱(PL)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、电子顺磁共振谱(EPR)等技术,我们记录了28颗HPHT法合成钻石的磷光性质与缺陷性质。实验发现,这类钻石大致可以分为两类:(1)类只具有蓝绿色磷光的钻石和(2)类同时兼具有蓝绿色磷光与橙红色磷光的钻石。其中蓝绿色磷光的产生会伴随有电中性孤氮(NS~0)和孤硼(BS~0)缺陷的出现或增强,两者之间的增长与衰退幅度存在正相关性,此外二者也与磷光强度之间存在关联,这证实了蓝绿色磷光自于NS~0和BS~0间的电荷补偿。本研究还通过1.2和10.0 Me V的电子加速器对HPHT法合成钻石进行了不同剂量的辐照处理,结果表明两种条件下的辐照处理能够对磷光进行不同程度的猝灭。其中1.2 Me V动能的电子辐照对钻石的影响较小,仅能部分削弱磷光,并减少硼、氮缺陷的信号;而10.0 Me V,16000 k Gy条件下的辐照则彻底猝灭了钻石的蓝绿色磷光。对电子辐照猝灭磷光的研究表明,电中性的单空位缺陷能够在过量的情况下分别与BS~0和NS~0发生相互作用,进而破坏原有的蓝绿色磷光产生机构。本课题还另外对于~590 nm橙红色磷光进行了发光性质和缺陷性质研究,结果表明该缺陷只与BS~0有关,与NS~0无关。它的存在会与带来蓝绿色磷光的施受主对竞争BS~0,并带来蓝绿色磷光寿命的减弱。通过对上述磷光性质、缺陷性质的分析,本课题研究从实验的角度证实了氮和硼分别是施主和受主杂质,并认识到空位缺陷能够干扰DAPR从而猝灭磷光。最后对橙红色磷光进行了研究,提出了合理的初步猜想。
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